调整核心机制以产生细胞极性

摘要

大多数细胞是极化的，包括简单的单细胞生物（例如，芽殖酵母酿酒酵母和裂变酵母葡萄裂殖酵母)和多细胞无脊椎动物的细胞（线虫秀丽隐杆线虫或果蝇果蝇属)和脊椎动物（哺乳动物）；甚至细菌也被极化了(图1). 极化电池的形状也有很大的差异。考虑哺乳动物神经元的极度衰减形状，可能有很多米长，单个细胞的短矩形（5–30µm长）S.pombe公司以及多细胞生物上皮组织中的细胞，以及酿酒酵母或果蝇属神经母细胞准备分裂(图1). 不同的细胞形状不仅是大自然的怪癖，还与特殊的细胞功能相结合，例如，在组织（神经元）之间进行远距离通信，提供屏障来调节不同生物隔室（上皮细胞）之间的离子稳态，并且在细胞分裂时将细胞成分分散到子细胞。

在单独的窗口中打开

图1

极化电池形状的多样性（不按比例）。富克斯合子暴露在光梯度下，与叶状体细胞（顶部）相比，其根状细胞（底部）中离子通道/二氢吡啶受体（红圈）和F-actin（蓝线）的极化分布。裂变酵母(葡萄裂殖酵母)显示肌动蛋白（紫色）和微管（蓝色虚线）在细胞长轴上的极化分布，细胞核位于细胞中心。果蝇属成神经细胞从腹神经外胚层分层，具有不对称的分裂面，将产生一个大的“顶端”成神经细胞干细胞和一个小的“基底”神经节母细胞。新月尾蚴预测细胞显示鞭毛（swarmer细胞，顶部）和茎秆（茎秆细胞，底部）的极化分布。无脊椎动物/脊椎动物运输上皮，显示极化上皮细胞（顶膜，绿色；基底膜，蓝色）在一个管中的组织，该管将两个生物隔室分开，并调节这些隔室之间离子/溶质的矢量运输（红色箭头）。芽殖酵母(酿酒酵母)从靠近前一个胞质分裂位点的母细胞形成子细胞“芽”（芽疤、红盘），并定向肌动蛋白电缆（紫色），用于小泡（黑色圆圈）从母细胞运输到子细胞。哺乳动物篮状细胞中间神经元，显示躯体/树突（黑色）和轴突（红色；图片由斯坦福大学医学院D.Madison提供）的分布。

乍一看，这种细胞形状和功能的多样性表明，每种细胞类型都必须进化出完全不同的方式来产生细胞极性，例如，区分出芽酵母和多细胞上皮。尽管最终结构大不相同，但用于组织细胞骨架和传递膜蛋白的核心机制的基本工具箱对所有真核细胞类型来说都是通用的。这篇综述的重点是如何利用这些机制在进化上具有不同形状和功能的不同细胞类型中产生极性。

在单细胞中产生有丝分裂的极性

酿酒酵母和S.pombe公司是细胞如何产生极性并将其与特定功能耦合的简单且易于理解的示例；这很简单，因为它们是单细胞生物，为了分裂而产生细胞极性，而且由于它们在基因上易于控制，所以人们对它们的理解也很好。遗传和细胞生物学研究表明，肌动蛋白斑块和调节蛋白的局部组装对于标记母细胞上的一个位点以促进膜生长以及肌动蛋白电缆和微管与这些位点的连接分别用于囊泡输送和纺锤体定向具有重要意义。

在营养生长期间，酿酒酵母采用基因型依赖的轴向（单倍体一或α细胞）或双极（二倍体一/α细胞）生长模式产生子细胞芽¹(图2a). 两类基因规定了轴向的“标志”(业务单元3,BUD4（预算4）和业务单元10/轴2)和双极(业务单元8和BUD9（预算9）)子细胞出芽^2,三，这两种萌芽模式都需要第三类(业务单元1/RSR1（RSR1）,业务单元2和预算5)^2,4标志物保留在质膜上，靠近（轴向或双极模式）或与先前胞质分裂的部位（芽痕）相反（双极模式(图2a). 膜生长是各向异性的，只发生在新芽中(图2b).

在单独的窗口中打开

图2

芽殖酵母中产生细胞极性的蛋白质途径。一轴向和双极芽接模式。b条，一种蛋白质复合物组装在芽端，将肌动蛋白细胞骨架、星状微管和囊泡导向芽。c（c）调控因子、过程和细胞机械的层次结构，将芽端选择与肌动蛋白帽的组装、肌动蛋白电缆的锚定/成核以及导致芽端极化膜生长的囊泡靶向联系起来。

Ras小GTPase超家族成员（Bud1p/Rsr1p、Cdc42p和Rho1p/2p、Rho3p和Rhos4p）协调膜生长位点（芽）的选择、细胞骨架的定向和囊泡对该位点的靶向^1,5(图2b、c). 在这些事件中，Cdc42p是至关重要的——如果没有Cdc42p，肌动蛋白细胞骨架就会紊乱，并且由于母细胞的各向同性生长，形成了大的未叠置细胞⁶一个关键问题是Cdc42p活性如何限制在质膜上的一个位置？一种可能性是，Cdc42p通过连续补充鸟嘌呤交换因子（GEF）限制在地标范围内，GEF在局部控制GTPase活性⁷Bud5p和Bud2p分别是Bud1p/Rsr1p的GEF和GTPase激活蛋白，它们与标志蛋白共定位，标志蛋白的破坏导致Bud5p的定位错误^8–10将Bud5p招募到地标将在本地激活均匀分布的Bud1p/Rsr1p。体外研究¹¹研究表明，与GTP结合的Bud1p/Rsr1p与Cdc24p结合，Cdc24p是Cdc42p的GEF，在细胞中可以将Cdc42p的活性限制在标志性水平。但缺乏Bud1p/Rsr1p机制或任何标志性基因的细胞会形成子细胞芽，尽管是在母细胞上随机形成的，这一过程需要激活Cdc42p^2–4Cdc42p的极化和肌动蛋白聚合可以通过由膜上Cdc42p随机增加引发的正反馈回路来控制¹²地标通常会在膜上指定的位置（而不是随机的）适应这种反馈回路来形成芽。

在细胞膜上的一个位点激活Cdc42p，释放芽内细胞骨架组织的整体变化，包括肌动蛋白丝帽的组装，以及延伸到母细胞的肌动蛋白电缆的组织^1,13(图2b、c). Ste20p和Cla4p是p21-活化激酶（PAK）家族成员Cdc42p的下游效应器¹⁴I型肌球蛋白Myo3p和Myo5p¹⁵是PAK底物，它与Wiskott–Aldrich综合征蛋白或WASP（Bee1p/Las17p）和WASP相互作用蛋白或WIP（Vrp1p）的同源物一起与Arp2/3复合物相互作用，在芽位点组装和组织肌动蛋白帽^16–18（有关Arp2/3功能的详细信息，请参阅Gruenheid和Finlay在本期中的评论，第775页）。

Spa2p、Pea2p和Sph1p的核心支架复合体（极性复合体¹⁹)在萌芽期组装。formin同源物Bni1p和Bnr1p结合这个复合物，然后与在芽和母细胞之间组装肌动蛋白电缆的蛋白质相互作用^20–22：profilin（Pfy1p）²³促进GDP与单体肌动蛋白的GTP交换，从而为生长肌动蛋白细丝的倒刺端提供GTP–肌动蛋白本地池；Bud6p/Aip3p，一种肌动蛋白丝状结合蛋白²⁴; 和激活的GTP酶，包括Cdc42p、Rho1p/2p、Rhos3p和Rho4p^20,25Bni1p和Bnr1p活性的丧失与整个芽和母细胞中肌动蛋白电缆的丢失相关，Bni1p和Bnr1p的再激活导致肌动蛋白线缆从芽重新生长到母细胞^21,22.体外，Bni1p还可以使肌动蛋白聚合成核，并结合肌动蛋白丝的倒刺（生长）端^26,27综上所述，Bni1p和Bnr1p及其相关蛋白似乎在芽位形成核并锚定肌动蛋白电缆(图2c).

从芽到母细胞的肌动蛋白电缆的定向也会驱动芽中的微管捕获和母-芽轴中的纺锤体定向以进行胞质分裂²⁸(图2b). 星形微管的末端和末端含有Kar9p和Bim1p的蛋白质复合物，该复合物与V型肌球蛋白Myo2p结合，进而与肌动蛋白结合，并将微管连接的复合物移动到芽中²⁹.

芽和母细胞之间的肌动蛋白电缆为胞外囊泡从母细胞高尔基复合体运输到芽提供了通道^1,13(图2b、c). 这对于作为SNARE（可溶性）的极化膜生长至关重要N个-位于靶膜（t-SNARE；Sec9p，Sso1p/2p）上的乙基马来酰亚胺敏感因子附着蛋白受体不仅限于芽，而且位于母细胞和芽的表面³⁰.沿肌动蛋白电缆输送囊泡需要Myo2p^31,32芽上的囊泡对接/融合复合体由一个称为外囊的大复合体进一步明确，外囊最初定位于芽尖³³; Sec4p、Rho1p/2p、Rhon3p、Rhos4p和Cdc42p调节囊泡输送的晚期阶段，以及芽中外囊的定位和功能^5,34编码外囊复合体的基因的中断导致运输囊泡在芽中积聚，这表明外囊复合物可能会栓系到达的囊泡或激活SNARE复合体，以准备SNARE依赖性囊泡与质膜融合³³.酵母同系物果蝇属致命的巨型幼虫（一种调节上皮极性的蛋白质，见下文）sro7/sro77结合t-SNARE Sec9p，以及sro7/sro77突变体在细胞质中积累高尔基体转运后小泡³⁵因此，t-SNARE和外胚囊都是芽囊融合所必需的，而芽囊中的局部小泡对接/融合是通过小泡沿着肌动蛋白电缆传递到外胚囊来确定的。

尽管这些涉及不同GTP酶的重叠调节机制可能看起来过于复杂，在某些情况下是多余的，但它们协调了一系列过程，这些过程在时间和空间上将芽位点的初始选择与肌动蛋白和微管细胞骨架在芽-母轴中的局部组装和定向联系起来，以及囊泡在膜生长部位的局部对接/融合(图2c).

与高度极化的芽生长相比酿酒酵母，杆状裂变酵母S.pombe公司中间有隔膜，因此，在细胞周期中可能会以更各向同性的方式生长。然而，分裂酵母的生长也在空间上极化，首先是在G1期间，在隔区对面的“老”端，然后是在G2期间的另一端(图3a).

在单独的窗口中打开

图3

裂变酵母中产生细胞极性的蛋白质途径。一肌动蛋白（索和皮质斑块）和微管细胞骨架相对于细胞“老”端和“新”端的分布，分别在细胞周期的G1和G2期生长。b条，皮层肌动蛋白斑块中蛋白质的假设组织，以及微管+末端与细胞末端/皮层肌动素斑块的相互作用（有关详细信息，请参阅正文）。

在裂变酵母中，肌动蛋白电缆网络位于细胞的长轴上，位于细胞“末端”的皮层斑块中³⁶虽然有一些诱人的迹象表明，肌动蛋白聚合机制与芽殖酵母中的机制类似，但人们对肌动蛋白在皮层斑块中的定位机制知之甚少(图3b). 皮质肌动蛋白补丁含有Orb2p，可能是Cdc42p下游的PAK家族成员³⁷，肌动蛋白结合蛋白Bud6p³⁸、肌球蛋白-I和Arp2/3复合物³⁹(图3b). 对于3p⁴⁰是formin家族的成员（如芽殖酵母中的Bni1p；见上文），定位于细胞“末端”和皮质肌动蛋白斑块，是肌动蛋白电缆组装和肌动蛋白补丁组织所必需的。在对于3Δ突变体，大多数子细胞同时在“老”端和“新”端生长，这表明，与芽殖酵母一样，在细胞“端”的甲酸（For3p）定位可能是解释和建立极化膜生长“标志”的途径的一部分⁴¹.

微管，像肌动蛋白电缆一样，在细胞的长轴上排列，并均匀极化，其正端位于细胞末端，负端位于细胞核周围。微管的破坏导致细胞在生长过程中异常弯曲和分支³⁷这表明他们可以监测细胞生长的进程。微管向细胞末端快速聚合的周期为4-6分钟，然后在接触末端约100秒后发生灾难性解聚^41,42.几个蛋白质似乎控制着这个循环(图3b). 第1页⁴²和Mal3p⁴³绑定在生长的正端，但不收缩微管，可以控制微管的长度和动力学。

极化膜生长和肌动蛋白/微管细胞骨架在结构和功能上是如何联系的？一种候选蛋白是海带重复蛋白Tea1p，它定位于微管正末端，并在微管开始收缩时沉积在细胞末端⁴⁴Tea1p与Bud6p在一个综合体中³⁸，它定位到细胞末端，与第一个“旧”末端生长一致，然后是“新”末端生长。Tea1p、Bud6p和For3p可能在肌动蛋白和微管细胞骨架、肌动蛋白组装和细胞“末端”的膜生长之间提供功能联系(图3b). 目前，尽管外囊复合体在囊泡输送至细胞末端和分隔处发挥作用，但对于运输囊泡输送如何极化以促进分裂酵母的膜生长，我们知之甚少⁴⁵(图3b).

电池极性的基线原则

肌动蛋白聚合和囊泡运输的核心机制适用于极化膜在质膜里程碑周围的生长。小GTPase信号复合物（例如，Bud1p/Rsr1p、Cdc42p和Rho）的局部组装可以识别并加强这一里程碑，该复合物将信号传递给模块化蛋白复合物，模块化蛋白复合体集中肌动蛋白细胞骨架组装的机械（Arp2/3、WASP/WIP、I型肌球蛋白和profilin），肌动蛋白电缆的锚定/成核（formin蛋白，包括Bni1p和Bnr1p/For3p，以及Bud6p）、微管组装/捕获（Kar9p/Bim1p和Tea1p/Tip1p/Mal3p）和囊泡输送（V型肌球蛋白、Sec4p、SNAREs和外囊）。这种复合物层次的组装将标志物与细胞骨架的局部组装和定向、膜生长的囊泡输送、纺锤体定向和子细胞的标志物遗传联系起来。

多细胞上皮细胞极性的产生

到目前为止，我已经在单个细胞准备分裂的背景下考虑了细胞极性。从单细胞研究中得出的细胞极性原理同样适用于多细胞生物体中的极化上皮细胞吗？显然，多细胞组织的复杂性增加了，因为形成了一个以上的膜结构域(图4a)通常同时，细胞必须使用额外的机制来初步区分这些结构域，以每个结构域中的不同蛋白质为靶点并进行组织，最终保持结构域的独立性。我在这里集中讨论两个控制点。首先，顶端连接复合体，一个在秀丽隐杆线虫,果蝇属和脊椎动物(图4a)启动细胞-细胞粘附并调节不同膜域的特性。第二，涉及将蛋白质分类和靶向不同膜域的机制。作为例子，我将研究极化上皮在从头开始细胞质膜结构域的组装果蝇属胚层和培养的哺乳动物上皮细胞。

在单独的窗口中打开

图4

极化上皮细胞和顶端连接复合体的组织。一极化上皮细胞形成单层，其中顶端（无边界表面）在与基底膜和侧膜（边界表面）的边界处被顶端连接复合体（顶部）隔开。面板的主要部分显示了顶端结合复合体的分子结构。在脊椎动物中，顶端结合复合体被分为结构和功能不同的亚结构域，这些亚结构域包括与模块化蛋白支架相连的膜蛋白（Crumbs、JAM（结合粘附分子）、连接蛋白、闭塞蛋白/克劳丁和钙粘蛋白），而这些膜蛋白又主要与肌动蛋白细胞骨架结合，尽管与微管的联系是可能的。在无脊椎动物中(秀丽线虫和果蝇属)顶连接复合体的组织结构类似，只是紧密连接功能由位于钙粘蛋白（粘连）连接下方的分隔连接提供。b条，关于顶端结合复合体中不同蛋白质复合体如何调节细胞-细胞粘附（钙粘蛋白复合体）、顶端膜（Bazooka和Crumbs复合体）和侧膜（致死性巨幼虫、Scribble和Disc大型复合体）特性的简化方案。有关详细信息，请参阅文本。

上皮细胞之间的细胞外接触定义了有界（基底外侧）和游离（顶端）细胞表面⁴⁶尽管顶鼻极性的完全发展需要细胞-细胞和细胞-细胞外基质粘附的组织线索^47,48顶部连接复合体的组装，位于顶部和（基底）侧膜之间的边界(图4a)，识别并加强由钙粘附素介导的细胞-细胞接触形成的主要标志。顶端连接复合体是一种多功能、模块化结构，包含位于顶端和外侧膜域之间的蛋白质亚复合体⁴⁹(图4a). 一般来说，每个蛋白亚复合物都包含一个与支架蛋白模块结合的完整膜蛋白，每个支架蛋白模块都具有多个蛋白-蛋白结合基序，这些基序可能会连接不同的膜蛋白亚复合体。支架蛋白通常与肌动蛋白细胞骨架结合^50–52，受Rho家族小GTPases调节⁵³，尽管也可能存在与微管的连接⁵⁴; 顶端连接复合体的一些蛋白质也作为基因表达的转录（co）激活物⁵⁵.

遗传研究果蝇属和秀丽线虫已经确定了顶端连接复合体中调节上皮细胞极性发育的蛋白质类⁵⁶：钙粘蛋白/连环蛋白^57,58，Crumbs（Crb）/星尘⁵⁹、Bazooka（Baz/Par3）/Par6/非典型蛋白激酶C（aPKC）^57,60,61和致命的巨型幼虫（Lgl）⁶²/涂鸦（Scrib）⁶³/大光盘（Dlg）^64,65/第413列⁶⁶(图4b). 最近的研究表明，每一类蛋白质都在一条共同的途径中发挥作用，而复合物似乎被整合到一条指导顶端和外侧膜形成的调节途径中^67,68钙粘蛋白/连环蛋白复合物介导的细胞-细胞粘附^57,58,67,68需要启动这些事件，如其中一个连环蛋白的母体和合子缺失，犰狳，英寸果蝇属抑制包括第一上皮细胞在内的所有细胞结构的形成⁵⁸; 然而，需要注意的是，其他复合物随后才能维持钙粘蛋白连接的功能和完整性^67,68.

Baz复合体被招募到钙粘蛋白连接^57,67,68并启动顶端膜的形成。Lgl/Scrib复合物的活性阻碍了根尖膜特性向外侧膜的扩散^60,67,68，被招募到Baz复合体/钙粘蛋白交界处下方的位置^60,67,68Lgl/Scrib复合物似乎拮抗Baz和后来的Crb复合物的功能，从而维持侧膜特性^67,68附着接合处下方。Crb复合体被招募至Baz复合体/钙粘蛋白结合处^57,59并且似乎通过阻断侧膜的扩散，进一步拮抗Lgl/Scrib复合物的活性，从而保持心尖膜的特性^67,68附着接合处上方(图4b).

尽管这些研究确定了这些不同复合物在启动顶端和外侧膜结构域极性方面的首要作用，但其潜在的生化机制尚不清楚。值得注意的是，许多涉及的蛋白质包含蛋白质结合基序、PDZ结构域（例如，Baz（Par3）、Par6、Scrib、LET-413和Discs large）⁵⁶和富含亮氨酸的结构域（Scrib和LET-413）⁶⁸作为支架来结合和空间排列顶端结合复合体中的蛋白质^69–71Baz复合体包含aPKC^60,72在哺乳动物上皮细胞中，aPKC的显性阴性突变体导致Par3（Baz）和ZO-1（一种紧密连接蛋白）的定位错误，导致紧密连接和粘附连接的破坏，以及顶端/基底外侧极性的缺陷⁷³Baz复合体也受激活aPKC的Rho家族GTPases调控^74,75此外，Lgl与t-SNARE结合蛋白-4结合，复合物定位于侧膜⁷⁶，但Lgl在syntaxin-4功能中的作用尚未详细测试。一个有吸引力的可能性是，确定顶端（Baz和Crb）和侧面（Lgl/Scrib）膜结构域特性的复合物可能分别调节含有顶端和（基底）侧面蛋白质的运输囊泡的传递，从而有助于膜结构域的产生和维持。

虽然与顶端连接复合体相关的特定蛋白复合体控制着顶端和基底外侧膜结构域的一致性，但细胞如何决定这些结构域中不同蛋白质的分布和功能？细胞化过程中上皮细胞极性的产生果蝇属胚胎和培养的哺乳动物细胞提供了机制方面的见解。

The first 13 cell divisions of the果蝇属胚胎产生一个由6000个位于质膜下的细胞核组成的合胞胚层。在细胞化过程中，当质膜在每个细胞核之间形成时，其表面积增加了25倍以上，从而产生一层约30µm高的柱状极化上皮细胞⁷⁷(图5a). 细胞化分为“慢”和“快”两个阶段⁷⁸在缓慢期，持续35-40分钟，约10µm的侧膜，生长通过顶端表面的快速内陷和内化蛋白重新分布到侧膜（沟道）来实现⁷⁸，也许是通过胞吞作用。膜生长的这一阶段由砰地关上基因⁷⁹协调局部膜插入和膜生长。沟道的生长端以一小簇钙粘蛋白/连环蛋白复合物为标志，这些复合物形成由努洛基因⁸⁰; 这个连接处还含有肌球蛋白-II和丢失的椎间盘⁸⁰微管的丢失也会破坏细胞化⁸⁰因此，插入膜可能会产生膜生长力⁷⁸，肌动蛋白-肌球蛋白收缩⁸¹微管引导和稳定侧膜向下生长⁷⁸.

在单独的窗口中打开

图5

上皮细胞极性的产生。一，早期细胞胚层的形成果蝇属胚胎发生（详情见正文）。b条，极化上皮细胞示意图。左，肌动蛋白和微管细胞骨架的组织；右图，囊泡向不同质膜域的转运途径的组织，要么直接来自高尔基复合体，要么通过内吞或跨细胞途径间接通过顶端或基底内胚体。c（c），在培养的上皮细胞中生成侧膜结构域。在钙粘蛋白介导的细胞-细胞粘附之前，外囊是胞质的，小泡与基底膜融合。在细胞-细胞粘附（步骤1）时，外囊被招募到细胞-细胞接触中，囊泡与形成的侧膜融合。随着更多的小泡融合，侧膜面积增加约六倍。随后（步骤2），外囊和囊泡输送位于侧膜的顶端区域。

生长缓慢期接近尾声时，耗尽的顶端膜直接从分泌途径中的细胞内池中补充⁷⁸钙粘蛋白/连环蛋白复合物开始向侧膜的更顶端聚集，形成斑点粘附连接。在随后的膜生长快速阶段，持续15-20分钟，占膜生长剩余的~20µm，通过从分泌途径直接运输囊泡，将新膜插入侧膜的更顶端部分^56,78(图5a).

囊泡是如何靶向不同膜域上的指定位点的，蛋白质在囊泡输送到质膜之前是如何预先在高尔基复合体中进行转运的？培养的哺乳动物上皮细胞的细胞极性研究为这些问题提供了一些答案，因为它们可以用于蛋白质分类途径的详细生化和细胞生物学分析⁴⁶.

大多数细胞利用内吞途径在质膜和细胞内细胞器的不同区域之间传递蛋白质⁸²在极化上皮细胞中，这些通路与不同质膜域之间的蛋白质分类相耦合（称为细胞转染）(图5b). 细胞吞噬作用对在顶膜和基底外侧膜（例如配体-受体复合物）之间运输蛋白质亚群具有特异性⁸³)或对许多类蛋白质通用⁷⁸例如，在肝细胞中，所有膜蛋白都从高尔基体传递到基底外侧膜，然后顶端蛋白被特异性内化，并通过细胞转染转移到顶端膜域⁸⁴.

在许多上皮细胞中，不同膜域中的蛋白质分布也由细胞内顶端和基底外侧蛋白质的直接分选决定反式-高尔基网络（TGN）和后续靶向正确的膜域⁸⁵(图5b). 将蛋白质分类到顶端通路似乎涉及将膜蛋白聚集到脂筏中，并且一类蛋白质中的糖基磷脂酰肌醇（GPI）结构域足以直接分类到大多数细胞的顶端通路⁸⁶对芽殖酵母的其他研究也表明脂筏在蛋白质分选中很重要⁸⁷将蛋白质分选到基底外侧通路需要细胞质结构域中的分选信号，并且可以通过TGN或内体中的衔接蛋白和网格蛋白外壳的聚集来介导^88,89注意，TGN中的蛋白质分选似乎是一个组成过程，发生在既没有明确的顶端或基底外侧膜结构域，也没有钙粘蛋白介导的细胞-细胞粘附的细胞中，如成纤维细胞⁹⁰因此，在细胞粘附后，细胞骨架的重新组织和靶向贴片的生成对于高尔基复合体中囊泡的定向输送至关重要，这是从蛋白质的高尔基后分选到正确的膜结构域⁴⁶.

细胞骨架的组织在调节上皮极性方面很重要(图5b). 肌动蛋白细胞骨架定位于每个膜域的细胞皮层，肌动蛋白重组发生在细胞顶部连接复合体周围的束中。这种重组在一定程度上取决于肌动蛋白与顶端结合复合体成分的连接，以及Rho家族小GTPase对肌动蛋白聚合的调节⁵³、Arp2/3和其他蛋白质⁹¹含有肌动蛋白结合蛋白的侧膜支架调节一些膜蛋白的分布。例如，Na⁺，K⁺-ATP酶定位于哺乳动物的侧膜果蝇属通过与锚蛋白和spectrin支架连接的上皮细胞^92,93spectrin支架通过与肌动蛋白细胞骨架结合，与顶端连接复合体的（钙粘蛋白）亚复合物相连，被招募到细胞-细胞接触中⁴⁶.

微管被组织成束，排列在细胞的顶叶轴上，在基底极有正末端，在顶膜下和基底膜上有缠绕的短丝垫⁴⁶(图5b). 微管如何采用这些分布尚不清楚。微管也可以附着在顶端连接复合体上⁵⁴，这可能对有丝分裂纺锤体的定向很重要（这必须垂直于极性顶轴，以保持上皮的单层组织）。肌动蛋白可能在膜上的囊泡局部递送中起重要作用，而微管似乎为囊泡向质膜域的递送提供了长程路径，尤其是在跨细胞作用中，微管负端（动力蛋白）和脉冲-end（驱动蛋白家族）马达的作用与囊泡靶向有关^94,95.

囊泡与不同质膜结构域对接/融合的规范涉及SNARE复合物，其中同源囊泡v-SNARE和靶膜t-SNARE之间的结合指定囊泡输送。在极化上皮细胞中，不同的t-SNARE定位于顶端膜（syntaxin-3）和基底外侧膜（synstaxin-4）⁹⁶并抑制其功能阻止囊泡输送。关于t-SNARE如何定位于不同的膜域，我们知之甚少。Madin–Darby犬肾（MDCK）细胞极化过程中囊泡向基底膜和侧膜的直接分析表明，在细胞-细胞粘附之前，含有顶端或基底外侧膜蛋白的囊泡与基底表面融合⁹⁷但在诱导钙粘蛋白介导的细胞-细胞粘附后，顶端和基底外侧囊泡均未与基底表面融合；在顶膜中观察到囊泡融合在技术上是不可能的，但发现基底外侧囊泡在侧膜的上半部分融合⁹⁷因此，细胞-细胞粘附可以作为一个信号，极化囊泡对接/融合机制或囊泡/细胞骨架向顶膜和侧膜的运输途径(图5c). 有趣的是，连接蛋白-3的维持依赖于微管，微管的破坏导致连接蛋白-3定位于侧膜，导致顶端小泡与侧膜融合；未观察到对syntaxin-4分布的影响⁹⁷.

像酵母一样，极化上皮细胞表达外囊复合体（也称为Sec6/8复合体）⁹⁸在极化的MDCK细胞中，外囊位于外侧膜的顶端⁹⁸，位于基底外侧囊泡对接/融合的一般区域⁹⁷外囊功能抑制抑制含有基底外侧蛋白的囊泡向质膜的传递，但顶端囊泡的传递不受影响⁹⁸.Cdc42也在基底外侧运输囊泡中起作用，但在顶端运输囊泡时不起作用⁹⁹外囊复合体的极化分布取决于细胞-细胞接触的维持，而钙粘附素介导的细胞-细胞粘附将外囊特异性地招募到细胞-细胞的接触部位⁹⁸与细胞化过程中的膜生长类似果蝇属胚胎中，MDCK细胞的极化导致侧膜的表面积增加6倍，而顶膜和基膜域的表面积没有增加¹⁰⁰(图5c).

结论

细胞极性在单细胞生物和多细胞组织中表现为多种形状和功能。每种细胞类型都没有进化出不同的机制来产生极性，而是适应了一套基本的进化保守的核心机制，包括：信号复合体的局部组装、细胞骨架的组装和招募、细胞内池中蛋白质的动员，以及靶向膜生长部位的囊泡输送。极化细胞通过模块化蛋白质支架的局部组装在细胞表面标志物周围产生不对称性，该支架指导细胞骨架的组装和定向，并指定囊泡递送用于该部位的膜生长。

从这些不同的例子中可以推断出细胞极性的几个原理。该路径是分层的。它由细胞表面标志或空间线索（芽殖酵母和分裂酵母中的胞质分裂点，以及蠕虫、苍蝇和哺乳动物上皮细胞中的细胞（–细胞）粘附点）启动，并在细胞表面上定义细胞定向的点（酵母中的母子轴，上皮细胞的顶基轴）。这个极性轴是通过核心机制的适应从地标传播到整个细胞的，这些核心机制围绕地标组装和定向肌动蛋白和微管细胞骨架。

标志物周围的细胞骨架重组由Rho家族小GTPase（Rho、Cdc42和Rac1）信号复合物标志物的局部组装决定，其集中了肌动蛋白（profilin、Arp2/3复合物和I型肌球蛋白）的局部组装机制，和模块化蛋白支架（分别为芽殖酵母和分裂酵母中的polarisome和Bni1p/Bud6p以及For3p/Bud6mp，以及上皮细胞中包含Crb、Baz和Lgl/Scrib复合物的顶端连接复合物）。肌动蛋白聚合和蛋白质支架的组装也加强了标志物的组织、保留和遗传。围绕标志物的肌动蛋白细胞骨架定向可能调节微管的捕获/再定向（涉及Kar9p、Tip1p/CLIP170、Bim1p/Mal1p/EB1和APC的复合物）细胞极性轴上的纺锤取向（在芽殖酵母中，果蝇属成神经细胞和上皮细胞），并将囊泡输送到不同的膜域（在上皮细胞的经细胞和外细胞囊泡运输中）。

囊泡向地标传递的效率和保真度取决于细胞骨架的组装和定向，以及囊泡对接/融合机械的地标补充（小GTPases，如Sec4p和RalA、SNARE蛋白复合物和外囊）；在上皮细胞中，机械被分离到顶端和外侧膜域。定位的囊泡输送导致标志物周围的质膜快速生长。新膜结构域的特性由囊泡中直接从高尔基复合体或跨细胞转运的（预先分类的）蛋白质子集以及通过膜支架的滞留来维持。这种复合物层次的组装将标志物与细胞骨架的局部组装和定向、膜生长的囊泡输送、纺锤体定向以及子细胞的标志物遗传联系起来。

致谢

参考文献